一种应用于激光发射模块的发射功率调节电路及方法

技术领域

本发明涉及激光测距领域，尤其涉及一种应用于激光发射模块的发射功率调节电路及方法。

背景技术

激光雷达是通过测量激光在激光雷达和被测目标之间往返飞行的时间来得到激光雷达与待测物体之间的距离，这就是飞行时间(TOF)测距激光雷达的基本原理。近年来，随着消费市场对于非协助式探测、机器人导航系统以及自动驾驶系统的需求变得日益剧烈，激光雷达系统特别是直接TOF脉冲式激光雷达因其探测距离远、测量精度高、抗干扰性强等优点受到了资本市场和消费市场前所未有的关注和青睐，各种各样的激光雷达产品也开始逐渐进入到汽车、机器人、安防、地理探测等市场中。脉冲式激光雷达，即通过发射模块发射窄脉宽、高峰值功率的激光脉冲，然后接收模块通过雪崩光电二极管探测器(Avalanche Photo Diode，APD)将接收的反射光信号转为电信号，再经信号处理系统对该电信号进行处理，实现测距功能。

由于自然界中不同类型的物体表面反射率不同，因此它们对入射光的吸收和反射强度也不同。即当一定强度的激光脉冲打到不同的目标物体上，其反射光的强度是不相同的，通常反射光的强度用反射率表示。对于脉冲式激光雷达而言，同一脉冲激光能量，同一距离下，目标物体的反射率不同，反射回来的能量会不同；同一反射率，不同距离下，由于光路损耗，反射回来的能量也会不同。反射回来的能量过强会使APD转化成的电信号饱和，而反射回来的能量过小则会使有用的电信号淹没在噪声中。反射回来的信号过大导致的饱和或过小导致的信噪比过低均会导致计时处理不准确，即影响激光测距的准确性，无法实现大动态范围的测量。目前主要的处理方式是自动增益控制(Automatic Gain Control，AGC)，即在激光雷达系统接收端通过控制后级运放的放大增益来调节反射信号的强弱。但是由于AGC方案后级电路复杂，在不同增益的情况下会存在不同的群延时，影响计时精度，同时其调节速度也很难满足需要。另外，在功率通路上直接串联电阻来调节发射功率也较难实现，因为功率通路上需要有较大的电流通过，这导致串联电阻的阻值需要很小，实际情况中较难实现。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种应用于激光发射模块的发射功率调节电路及方法，以实现激光雷达大动态范围的测量。

本发明所采用的第一技术方案是：一种应用于激光发射模块的发射功率调节电路，1.包括发射模块和接收模块，其中：

发射模块，用于接收反馈信号，并发射具有不同强度的激光脉冲；

接收模块，用于将接收到的信号进行放大，并判断信号放大后是否饱和，将判断结果反馈至发射模块；

针对同一反射率、同一位置的目标物体，发射模块根据判断结果调节第二次发射出的脉冲信号强度。

具体地，针对同一反射率、同一位置的目标物体，发射模块可根据接收模块收到第一次的脉冲信号时，判断该信号是饱和或是信号的信噪比过低，来调节第二次发射出的脉冲信号强度，即通过接收模块对信号强度的判断，自动调节下一次发射模块的发射功率

进一步，所述所述发射模块包括电源模块、控制器模块、逻辑电路、传输门阵列、驱动阵列、NMOS管阵列、NMOS管漏极电压采样子模块和电压比较器，其中：

NMOS管漏极电压采样模块和电压比较器，用于比较NMOS管漏极电压与设定值的大小，判断功率通路中是否有尖峰电压导致的反向电流，进而将逻辑信号输出到控制器模块中；

控制器模块，用于接收来自接收模块的反馈信号、电压比较器的输出信号，并输出逻辑电路的控制信号；

逻辑电路，不仅能根据控制器模块输出的控制信号来确定实际导通的NMOS管的数目，还能根据控制器输出的关于NMOS管漏极电压的采样结果，来确定实际导通时NMOS管导通的顺序。

具体地，逻辑电路，不仅能根据控制器输出的信号来确定实际导通的NMOS管的数目来改变发射功率，而且能根据控制器输出的关于NMOS管漏极电压的采样结果，来确定实际导通时NMOS管导通的顺序，进而来缓解功率通路中存在的寄生电感对较大的di/dt的敏感性

进一步，所述NMOS管阵列包括2

进一步，所述逻辑电路包括总线部分、寄存器、温度码模块、与门阵列，或门阵列和2

本发明所采用的第二技术方案是：一种应用于激光发射模块的发射功率调节方法，包括以下步骤：

发射模块发射脉冲信号；

脉冲信号发射至目标物体后反射回来，得到反射信号；

接收模块接收到反射信号后，对信号进行放大，并判断信号放大后是否饱和，将判断结果反馈至发射模块；

发射模块中的控制器模块接收来自接收模块的反馈信号，并对信号进行判断，输出控制信号至逻辑电路；

逻辑电路接收来自控制器模块的控制信号，输出2

发送信号至接收模块的控制器，并允许系统对下一次的脉冲信号进行计时。

进一步，所述发射模块中的控制器模块接收来自接收模块的反馈信号，并对信号进行判断，输出控制信号至逻辑电路这一步骤，其具体包括：

发射模块中的控制器模块接收到来自接收模块的反馈信号后，判断下一次脉冲的幅度是需要增加还是减小，判断完后通过总线ON[N:0]输出第一个确定的二进制数值到逻辑电路，该二进制数值即为下一次需要导通的NMOS管的数目；

发射模块中的控制器模块还接收来自电压比较器的逻辑值，由此来判断下一次发射脉冲时NMOS管导通或者关断的顺序，判断完后输出总线信号Rise[N:0]和Fall[N:0]到逻辑电路，确定下一次导通或者关断NMOS管的顺序。

进一步，当确定NMOS管的实际导通数量后，根据控制器模块输出的总线信号Rise[N:0]和Fall[N:0]，来确定NMOS管实际导通或关断的先后顺序。

本发明方法的有益效果是：通过在发射模块中集成了NMOS管阵列，通过改变NMOS管导通的数量，即可改变功率通路中的导通电阻，从而使得发射模块能够获得不同幅度的脉冲信号，另外，通过动态调节NMOS管的导通顺序，即调节电流的瞬态变化di/dt，进而来减小寄生电感对窄脉冲信号不利的影响，本发明结构简单且调节速度快。

附图说明

图1是本发明具体实施例发射模块的原理图；

图2是本发明具体实施例的系统框图；

图3是本发明具体实施例逻辑电路的原理图；

图4是本发明具体实施例中两次脉冲信号的发射时间及其脉冲幅度坐标图；

图5是本发明具体实施例中两次脉冲发射信号对应的反射信号脉冲幅度与其时间的坐标图；

图6是本发明应用于激光发射模块的发射功率调节方法的步骤流程图。

附图标记：1、发射模块；2、接收模块；3、目标物体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

图2所示为实现发射功率自动可调节技术的系统框图，包括发射模块1、接收模块2、目标物体3，发射模块1向目标物体发射窄脉冲信号，信号经目标物体3反射后被接收模块2获取，此时接收模块2对反射信号进行放大处理后，判断信号是否在可测范围内，随后将判断结果传输到发射模块中，以便确定下一次发射脉冲时发射功率是否需要调节。

参照图2，本发明提供了一种应用于激光发射模块的发射功率调节电路，包括发射模块和接收模块，其中：

发射模块1，用于接收反馈信号，并发射具有不同强度的激光脉冲；

接收模块2，用于将接收到的信号进行放大，并判断信号放大后是否饱和，将判断结果反馈至发射模块1；

针对同一反射率、同一位置的目标物体3，发射模块1根据判断结果调节第二次发射出的脉冲信号强度。

进一步作为优选实施例，所述发射模块1包括电源模块、控制器模块、逻辑电路、传输门阵列、驱动阵列、NMOS管阵列、NMOS管漏极电压采样子模块和电压比较器，其中：

NMOS管漏极电压采样模块和电压比较器，用于比较NMOS管漏极电压与设定值的大小，判断功率通路中是否有尖峰电压导致的反向电流，进而将逻辑信号输出到控制器模块中；

控制器模块，用于接收来自接收模块2的反馈信号、电压比较器的输出信号，并输出逻辑电路的控制信号；

逻辑电路，不仅能根据控制器模块输出的控制信号来确定实际导通的NMOS管的数目，还能根据控制器输出的关于NMOS管漏极电压的采样结果，来确定实际导通时NMOS管导通的顺序。

具体地，图1为发射模块的具体原理图，其中电源模块负责给各个电路模块供电，控制器模块可输入来自接收模块2和电压比较器的信号，并输出总线信号ON[N:0]到逻辑电路，逻辑电路则将通过输出的逻辑信号来控制传输门阵列的导通和关断，进而来确定NMOS管阵列在发射脉冲信号时导通的数目；当需要发射脉冲信号时，传输门阵列被逻辑电路按设定值配置，当脉冲信号到来时，NMOS管阵列中每一个NMOS管被配置为导通或者关断的状态，脉冲电流从电源模块中流出，经过激光二极管后进入NMOS管阵列最后到地，由此产生了一个窄脉冲激光信号。当需要调节发射模块的发射功率时，控制模块会输出信号到逻辑电路，从而会重新确定传输门阵列的导通情况，当NMOS管阵列中实际导通的NMOS管数目改变时，功率通路当中的导通电阻也会改变，进而可以改变脉冲电流的幅度

进一步作为优选实施例，所述NMOS管阵列包括2

进一步作为优选实施例，所述逻辑电路包括总线部分、寄存器、温度码模块、与门阵列，或门阵列和2

具体地，图3所示，为使图中连接关系明了，需注意同名端口之间有连接关系；逻辑电路工作原理如下，当控制器模块确定好下一次发射脉冲时NMOS管工作的数目，则信号将由ON[N:0]总线传入温度译码模块B，温度译码模块B将译码信号一一传输到与门阵列的输入端；由于为了减小寄生电感对过大的di/dt的敏感性，发射模块1中的控制器模块将输出总线信号Rise[N:0]和Fall[N:0]来确定NMOS管导通或关断时的顺序，NMOS管导通的顺序信号经Rise[N:0]总线传输到Rise寄存器，NMOS管关断的顺序信号经Fall[N:0]总线传输到Fall寄存器。当脉冲控制信号到来时，需确定NMOS管导通的顺序，上升沿对寄存器进行触发，使得Rise寄存器将信号传输到温度译码模块A，从而确定了需先打开的NMOS管的数目，而后的NMOS管则由电路本身存在的延迟依次打开，对于确定NMOS管关断的顺序过程同上，不再赘述。

本发明电路的具体有益效果是：

为了提高激光雷达的动态测量范围，传统上一般在接收电路处采用自动增益控制技术来实现，然而这会使得电路的复杂性增加，且不同增益下会引入大小不同的群延时，降低计时的精度。本发明提供一种运用于激光脉冲发射模块的发射功率自动可调节电路和技术，其结构简单、调节速度快，且该方案中的接收电路无需复杂的自动增益电路，因此不会引入群延迟，由此实现了对大动态范围的距离测量。

为了使得发射模块1的发射功率可调节，本发明在发射模块1中集成了NMOS管阵列。其中NMOS管阵列由N个NMOS管构成，控制器模块输出的信号进入逻辑电路，进而逻辑电路输出信号来确定在发射脉冲信号时NMOS管的导通数量，由于NMOS管本身存在寄生电阻，通过改变NMOS管导通的数量，即可改变功率通路中的导通电阻，从而使得发射模块能够获得不同幅度的脉冲信号。此外，由于功率通路中脉冲电流值较大，直接在通路中引入电阻则需要一个很小的电阻值，不满足实际要求，本发明提出的发射功率调节方法无需引入额外的电阻电容等，且调节速度快。

对于脉冲式激光雷达而言，为了提高测距精度，往往要求发射模块发出纳秒级别的窄脉冲信号，而由于通路中寄生电感的存在，如此快速的电流瞬变会导致寄生电感产生大的感应电动势，而这可能在NMOS管的漏极处引入较大的尖峰电压，而导致通路中存在反向电流并烧毁激光二极管。为了解决上述问题，本发明通过动态调节NMOS管的导通顺序，即调节电流的瞬态变化di/dt，进而来减小寄生电感对窄脉冲信号不利的影响。

参照图6，应用于上述激光发射模块的发射功率调节电路的方法，包括以下步骤：

S1、发射模块1发射脉冲信号；

S2、脉冲信号发射至目标物体3后反射回来，得到反射信号；

S3、接收模块2接收到反射信号后，对信号进行放大，并判断信号放大后是否饱和，将判断结果反馈至发射模块1；

S4、发射模块1中的控制器模块接收来自接收模块的反馈信号，并对信号进行判断，输出控制信号至逻辑电路；

S5、逻辑电路接收来自控制器模块的控制信号，输出个逻辑控制信号到NMOS管阵列的传输门控制端，根据个逻辑控制信号来确定NMOS管实际导通的数量；

S6、发送信号至接收模块2的控制器，并允许系统对下一次的脉冲信号进行计时，由此实现大动态范围测量。

具体地，接收模块2通过对接收到的发射脉冲进行处理，判断信号的强度是否在可测范围之内，并将得出的结果反馈到发射模块的控制器中，控制器进而通过逻辑电路模块调节下一次激光脉冲发射时所要导通的NMOS管数目，使得下一次的激光脉冲信号的强度在可测范围之内。由此提高激光雷达测量的动态范围，该方法无需引入额外的电阻电容等，也无群延迟现象，且相比较于调节供电电压来改变发射功率的方法，其调节速度更快。

进一步作为优选实施例，所述发射模块1中的控制器模块接收来自接收模块2的反馈信号，并对信号进行判断，输出控制信号至逻辑电路这一步骤，其具体包括：

发射模块1中的控制器模块接收到来自接收模块2的反馈信号后，判断下一次脉冲的幅度是需要增加还是减小，判断完后通过总线ON[N:0]输出第一个确定的二进制数值到逻辑电路，该二进制数值即为下一次需要导通的NMOS管的数目；

发射模块1中的控制器模块还接收来自电压比较器的逻辑值，由此来判断下一次发射脉冲时NMOS管导通或者关断的顺序，判断完后输出总线信号Rise[N:0]和Fall[N:0]到逻辑电路，确定下一次导通或者关断NMOS管的顺序。

进一步作为优选实施例，当确定NMOS管的实际导通数量后，并不直接打开所有确定数量的NMOS管，而是根据控制器模块输出的总线信号Rise[N:0]和Fall[N:0]，来确定NMOS管实际导通或关断的先后顺序，以此来避免功率通路中寄生电感对过大的di/dt的敏感性，减小尖峰电压和反向电流的出现，进而来保护激光二极管不受反向电流的损坏。

图4、图5所示，发射模块1对同一位置的同一目标物体发出两次脉冲信号，第一次脉冲信号E1发出后，脉冲信号经由目标物体反射后得到的反射信号R1被接收模块获取，经接收模块放大处理后，判断信号幅度是否在可测范围内(即RAMIN

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。